[发明专利]钴钛共掺杂锌铁氧体薄膜光阳极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种钴钛共掺杂锌铁氧体薄膜光阳极材料及其制备方法和应用，采用溶剂热法，将乙酰丙酮锌、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮钛和溶剂置于反应容器中，在氮气保护气氛下，加热进行反应，自然冷却至室温，加入无水乙醇使反应产物沉降，离心收集上述反应产物，并溶于正己烷中，由此制得单分散CoTiZFO纳米晶粒悬浮液；借助LB膜分析仪，调控表面压力，在氟掺杂氧化锡导电玻璃表面制得LB‑CoTiZFO。本发明采用Co、Ti共掺杂的方式来改善锌铁氧体薄膜光阳极的光电催化活性，有效解决了LB‑ZFO表面空穴反应速率慢的缺点，显著提高了其在PEC条件下降解水中抗生素的效率。

技术领域

本发明属于废水处理材料技术领域，具体为一种钴钛共掺杂锌铁氧体薄膜光阳极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着抗生素在医疗、农业、水产养殖和畜牧业领域的广泛应用，抗生素在环境基质中的残留对人类健康和生态安全的潜在威胁引起了广泛关注。因此，迫切需求研发先进的技术来去除水体中残留的抗生素。由于传统的生物工艺对抗生素的去除效率低，近年来开发了一系列高级氧化工艺(AOP)，如UV/H₂O₂、芬顿/类芬顿法、臭氧氧化、光催化(PC)、电催化(EC)、光电催化(PEC)，以及过硫酸盐活化等。然而，只有PEC工艺可在不添加反应助剂(如双氧水、过硫酸盐或臭氧等)且不造成二次污染(铁泥、催化剂残留等)的前提下，实现抗生素的有效去除。此外，与单一的PC和单一的EC工艺相比，采用PEC工艺去除抗生素的效率更高。因此，PEC工艺被认为是一种高效去除抗生素的潜在方法。

PEC去除抗生素的效率与光阳极材料的性能密切相关。在现有光阳极材料中，尖晶石型锌铁氧体(ZnFe₂O₄，ZFO)，因其禁带宽度窄(～1.9eV)、太阳光捕获范围广(46％)、地壳中的化学元素丰度高、成本低、无毒等综合优势，被认为是一种理想的光阳极候选材料。然而，纯ZFO薄膜中光生载流子的体复合率与表面复合率，通常情况下均比较高。虽然，通过减小ZFO薄膜的厚度可有效降低其光生载流子的体复合率，但其表面光生载流子的分离效率仍然偏低，导致其表面空穴的反应速率依旧偏慢，所以，纯ZFO薄膜的低界面PEC活性制约了其去除水中抗生素的效率。

综上所述，ZFO薄膜光阳极PEC去除水中抗生素的效率与其表面光生载流子的分离能力密切相关。因此，如何制备一种具有良好表面光生载流子分离性能的ZFO薄膜光阳极材料，这是本专利申请要解决的关键技术问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种钴钛共掺杂锌铁氧体薄膜光阳极材料及其制备方法和应用。首先，合成单分散CoTiZFO纳米晶粒悬浮液，随后借助Langmuir-Blodgett(LB)膜分析仪在氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃表面自组装形成LB-CoTiZFO。

具体的技术方案为：

钴钛共掺杂锌铁氧体薄膜光阳极材料LB-CoTiZFO的制备方法，包括以下步骤：

(1)单分散CoTiZFO纳米晶粒的制备

采用溶剂热法，将乙酰丙酮锌、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮钛和溶剂置于反应容器中，在氮气保护气氛下，进行加热反应，反应结束后，自然冷却至室温，加入无水乙醇，在5000r/min的条件下离心10～20min至沉淀，依次离心两次，取离心后的沉淀溶于正己烷中，即得到单分散CoTiZFO纳米晶粒悬浮液；

步骤(1)中的溶剂为二苄醚。

步骤(1)中加热反应的条件为，加热温度320～360℃，保温45～75min。